淺談直升機地面保障設備的創新設計

張勇

摘 要：在對直升機部件進行定檢、維護或更換時，需要專用的地面保障設備進行支托、存放和短距離移動。現有傳統地面保障設備基本都是根據直升機型號一對一進行設計，缺乏統籌規劃，導致保障設備存在功能單一、集成度低、通用性差和笨重等缺點。通過主槳轂自動傾斜器綜合托架的創新設計，闡述了采用“三化”設計、小型化設計和輕量化設計等方式，打破了傳統地面保障設備的結構形式，為直升機地面保障設備的發展開拓了新的思路。

關鍵詞：保障設備;創新設計;通用化;系列化;組合化

中圖分類號：TH122 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2019）10-0040-02

0 引言

由于直升機構造復雜，飛行環境多變、操作難度大、事故突發性強等特點[1]，因此直升機的定檢和維護也更加頻繁，需要的地面保障設備種類也比固定翼飛機多。特別是在對旋翼、發動機、主減速器和主槳轂等大部件進行定檢、維護或更換時，需要專用的地面保障設備進行支托、存放和短距離移動。

當前，我國軍用飛機地面保障設備都還采用著一對一的傳統專用設備，這種設備存在著開放性不足、診斷故障的準確性差、購置效費比低等諸多缺陷與不足[2]。直升機地面保障設備同樣存在上述問題，每種型號直升機的同類部件都有各自的托架，相互不通用，設備笨重、體積大，在直升機轉場時，地面保障設備往往需要幾卡車，造成機動性差，保障成本高等問題。造成這一現狀的主要原因是不重視地面保障設備的設計，能用主義太強，導致設計時墨守成規，缺乏創新意識。

1 設備現狀與總體創新思路

1.1 傳統地面保障設備案例分析

以一款新型的主槳轂自動傾斜器綜合托架設計為例，對直升機傳統地面保障設備的現狀進行分析并提出創新設計的方向。現有主槳轂托架基本采用鋼管、方管或矩形管焊接而成，上部安裝圓柱形接頭，用于支撐主槳轂，如圖1所示。

從圖1可以直觀的得出，三個托架用于和主槳轂進行連接的接頭有一個共同點，都是圓柱形接頭。為了保證后續創新設計的可行性，我們進一步分析一下主槳轂和自動傾斜器的結構，如圖2所示。

主槳轂和自動傾斜器在機上安裝時均通過中間的花鍵孔與主減速器進行連接。雖然不同型號的直升機選用的主槳轂和自動傾斜器型號、大小都各不相同，但是它們的結構形式和安裝方式都是一樣的，這為后續主槳轂自動傾斜器綜合托架的設計提供了有利條件。

1.2 原因分析與創新思路

現有主槳轂托架和自動傾斜器托架主要存在種類多、通用性差、體積大和重量重等缺點。造成這一現象的主要原因有兩點：第一，各型托架結構形式基本相同，僅承載和接口不同，但每一型托架設計時僅針對該型直升機的需要進行設計，缺少統籌，缺少“三化設計”;第二，托架結構較為簡單，導致設計者認為沒有什么可以創新的，設計時千篇一律，均沿用原有同類產品的結構形式和材料。

創新設計（Mechkanical Creative Design）是指充分發揮設計者的創造力，利用人類已有的相關科學技術成果（含理論、方法和技術原理等）進行創新構思，設計出具有科學性、創造性、新穎性及實用性的一種實踐活動[3]。具體來講，創新就要打破原有的事物，最直接的方法是以問題為導向，通過創新構思改變原有形式，解決原有問題。因此，我們可以采取通用化設計來解決托架種類多、通用性差的缺點;可以借鑒嬰兒車、折疊床和折疊自行車等產品的結構形式進行小型化設計，解決體積大的缺點;可以選用一些新材料、新工藝等成熟方法和技術來解決重量重的缺點等。

2 “三化”設計

“三化”是通用化、系列化、組合化的統稱，是標準化的重要形式，是發展國防科技和武器裝備的一項基本政策。產品的通用化從通用單元形成的情況看有兩種類型，一種是統計分析現有產品，優選出通用單元，稱為繼承型通用化;另一種是根據總體需求，專門開發新的通用單元，稱為開發型通用化。實際工作中，往往是二者的結合，既有繼承，又有開發，才會取得好的效果[4]。在主槳轂自動傾斜器綜合托架的設計時遵循了這一原理，通過總結各型直升機現有托架的共同點，將這個底盤設成通用件，通過更換上部接頭實現不同機型主槳轂和自動傾斜器的通用，綜合托架結構組成如圖3所示。

主槳轂自動傾斜器綜合托架由移動輪、折疊桿、牽引桿、伸縮桿、托盤、支撐桿、支撐套筒和各接頭等零部件組成。轉接頭根據不同型號主槳轂和自動傾斜器接口尺寸進行系列化設計，在后續使用過程中如果有新型主槳轂的使用需要，仍然可以按該形式新增轉接頭，保證了托架具有良好的拓展性。

在組合化設計方面，打破了原有托架整體焊接的形式，分成了折疊桿、牽引桿、伸縮桿、托盤、支撐桿和支撐套筒六個主要模塊，通過螺栓和快卸銷等形式進行連接。每一種模塊都具有良好的互換性，提高了托架的可維修性。折疊桿、牽引桿和伸縮桿等模塊同樣可以應用到其他托架產品中去，通過幾種托架模塊的不斷積累，最終即可形成地面保障設備通用模塊數據庫，提高地面保障設備的標準化水平，縮短設計時間，降低設計成本。

傳統地面保障設備“三化”設計水平的提高，需要建立專項產品標準作為依托。同樣屬于地面保障設備的方艙產品，在這一方面就做的比較好，曾有專家在論文中提到“從1994年開始有步驟、有目標地實施方艙產品的通用化、系列化、模塊化設計和工藝及生產標準化管理工作。現已制定方艙通用件企業標準40余項，產品標準化系數已達到80%以上”[5]。而目前地面保障設備嚴重缺乏專項標準的規定，部分現有標準也都是八十年代左右的，缺乏對標準的及時修訂，已無法有效指導產品的研發設計工作。這也是傳統地面保障設備“三化”水平低，各類缺點多的原因之一。因此，傳統地面保障設備的創新設計還要重視標準的建立和修訂工作。

3 小型化設計

一架直升機需要幾十項專用地面保障設備進行保障，才能完成定檢和維護等工作，地面保障設備的存放占用了庫房的很大空間。特別是在直升機進行轉場或長時間野外作業時，保障設備需配套直升機一起轉移，此時存放和運輸體積大的問題更為突出。因此，地面保障設備小型化設計是整個創新設計的重要環節之一。

目前，部分地面保障設備采用直接將產品分解后裝箱，運輸到目的地后重新組裝的方式，來解決運輸體積大的問題。雖然該方法能夠實現縮小運輸體積的目的，但是簡單的分解和組裝的方法增加了地勤人員的工作量，而且在設備分解后往往會造成小零件丟失，導致無法重新組裝而影響設備的正常使用。

反觀很多日常用品，如嬰兒車和折疊自行車，通過一些折疊和旋轉結構的設計，很好的解決了攜帶和存放的問題。從這個設計思路出發，在主槳轂自動傾斜器綜合托架的設計中，保證托架底盤不分解，通過采用折疊和伸縮結構組合的方式，實現產品的小型化設計，折疊后結構如圖4所示。經計算折疊后托架存放面積減小了45%，有效實現了減小貯存和運輸體積的要求。

4 輕量化設計

在確定了托架的結構形式后，還剩下材料選用和減重優化設計的工作。直升機傳統地面保障設備一般采用鋼制材料，且設計時往往預留了較大的安全系數，造成產品笨重的缺點。

隨著CFRP制備技術的成熟完善和性能研究的全面深入，CFRP已經由次承力結構材料轉而開始用于主承力結構材料[6]。現在，CFRP已經和鋁合金、鈦合金、鋼合金一起成為航空、航天領域的四大結構材料[7]。碳纖維復合材料是這四種材料中最輕的一種，其結構強度高、耐腐蝕性和抗疲勞性好等特點均符合地面保障設備輕量化設計的需要。

通過對主槳轂自動傾斜器綜合托架各零部件使用工況的分析，結合碳纖維復合材料工藝性和經濟性的綜合考慮，確定伸縮桿、支撐桿和支撐套筒選用碳纖維復合材料為結構主體，并在各接頭部位采用合金鋼預埋件的方式，保證采用碳纖維復合材料部分均為管類結構，這樣即可實現零件輕量化的要求，又可以有效控制加工成本。同時通過有限元分析的方法，對各零件的結構尺寸進行優化，在保證結構強度和安全系數滿足要求的前提下，進一步實現輕量化設計。采用碳纖維材料后，三種零件實現減重約29kg。受制于地面保障設備需求數量和加工成本的約束，自身結構較為復雜的零件目前還不適合采用碳纖維復合材料，因為這類零件的模具費和直接加工成本都較高。對主槳轂自動傾斜器綜合托架的其它零件，優先選用高強度鋁合金材料，實現零件的輕量化設計。通過材料的選擇和有限元優化設計兩種方法的實施，本產品共實現減重約59kg，與同類托架相比實現減重約50%。

5 結語

通過“三化”設計、小型化設計和輕量化設計等措施有效地解決了原有直升機主槳轂和自動傾斜器托架種類多、通用性差、體積大和重量重等缺點。主槳轂自動傾斜器綜合托架的創新設計打破了直升機傳統地面保障設備的結構形式，提高了設備自身的使用、貯存、運輸和維護等多方位的綜合能力，得到了用戶和各方專家的好評，為新一代地面保障設備的發展提供了新的參考。

參考文獻

[1] 李全，鄒松泉，周紹華.直升機飛行員水下逃生模擬訓練系統研究[J].醫療衛生裝備，2013，34（12）：42.

[2] 施惠娟.軍用飛機地面保障設備通用化的技術研究[J].中國科技縱橫，2014（20）：52.

[3] 成經平.產品概念設計中的創新設計方法及研究[J].機電產品開發與創新，2002（3）：27.

[4] 朱宏斌.型號工程標準化[M].航空工業出版社，2004：148-149.

[5] 董春彥，顧敏，夏強輝.方艙產品標準化和“三化”設計[J].航天標準化，2000（5）：20.

[6] 肖加余，曾竟成，彭超義.碳纖維復合材料作為主承力結構在航空航天上的應用[J].NCCM-13復合材料：成本、環境與產業化，2004：1258.

[7] 李威，郭權鋒.碳纖維復合材料在航天領域的應用[J].中國光學，2011，4（3）：202.